直驅(qū)搖籃轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

謝晶晶 王 龍 張海亮

（秦川集團（西安）技術(shù)研究院有限公司，西安 710000）

1 搖籃式轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)和分類

裝備制造業(yè)是一個國家建設(shè)的基石，機床水平是一個國家制造業(yè)水平的體現(xiàn)，而代表機床制造業(yè)最高境界的五軸聯(lián)動數(shù)控機床，則反映了一個國家的工業(yè)發(fā)展水平。搖籃式轉(zhuǎn)臺加工中心是一種多任務(wù)、高效的五軸復(fù)合加工機床，可以用于復(fù)雜零件的銑削加工[1-3]。搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺是數(shù)控轉(zhuǎn)臺的一種，屬于機床加工的常用部件。在搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺中，將繞X軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸定義為A軸，繞Z軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸定義為C軸。此轉(zhuǎn)臺通過A軸和C軸的組合將工件固定在工作臺上。通常，將在360°內(nèi)做回轉(zhuǎn)運動的進給軸稱為旋轉(zhuǎn)軸，將只能在一定的角度范圍內(nèi)（如±130°內(nèi)）做正反回轉(zhuǎn)運動的進給軸稱為搖擺軸[4-6]。

搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺主要有以下5 種分類方式：按驅(qū)動的運動副分為齒輪副驅(qū)動、蝸輪蝸桿副驅(qū)動以及力矩電機直接驅(qū)動；按搖擺軸的支撐結(jié)構(gòu)分為懸臂型搖擺軸和兩端雙支撐搖擺軸；按搖擺軸驅(qū)動個數(shù)分為雙驅(qū)型搖擺軸和單驅(qū)型搖擺軸[7-10]；按旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速分為低速型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺、車銑復(fù)合型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺以及高速搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺；按轉(zhuǎn)臺參與進給方式分為聯(lián)動型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺和分度型的搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺，其中分度型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺的兩個回轉(zhuǎn)軸不參與五軸聯(lián)動功能，只有分度功能，而聯(lián)動型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺的兩個回轉(zhuǎn)軸既參與五軸聯(lián)動也有分度功能。

2 搖籃式轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在以往實際工程應(yīng)用中，齒輪副驅(qū)動型和蝸輪蝸桿副驅(qū)動型搖籃轉(zhuǎn)臺的加工工藝和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)速較低，而力矩電機直驅(qū)搖籃轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速可以提高10 ～200 倍，定位精度也提高了4 ～5 倍。數(shù)控機床目前正朝著高轉(zhuǎn)速、高精度、高效率的方向發(fā)展，采用力矩電機直驅(qū)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺是五軸加工中心的發(fā)展方向和趨勢。

2.1 直驅(qū)型搖籃轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

直驅(qū)型搖籃轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)按照搖籃軸結(jié)構(gòu)分為單支撐搖籃結(jié)構(gòu)和雙支撐搖籃結(jié)構(gòu)，但支撐搖籃結(jié)構(gòu)承受負載較小，主要用于加工中小型零件。雙支撐搖籃承受負載較大，采用單驅(qū)動或者雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式。為了滿足機床結(jié)構(gòu)的緊湊性和受力平衡性，目前大多數(shù)搖籃結(jié)構(gòu)采用雙力矩電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式。

為了保證驅(qū)動的平穩(wěn)性，采用雙驅(qū)型搖擺軸式搖籃轉(zhuǎn)臺，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。雙驅(qū)型搖擺軸式搖籃轉(zhuǎn)臺包括搖擺軸A軸和回轉(zhuǎn)軸C軸，均采用力矩電機直接驅(qū)動。A軸由力矩電機直接驅(qū)動，消除了中間結(jié)構(gòu)件傳動帶來的彈性變形、反向間隙、運動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損等一系列不良后果，提高了轉(zhuǎn)臺的傳動精度、傳動剛性、進給速度及轉(zhuǎn)臺的加工效率。該轉(zhuǎn)臺的A軸和C軸采用一套轉(zhuǎn)臺軸承就能滿足轉(zhuǎn)臺承受聯(lián)合負載的要求，不僅能夠簡化轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，而且能夠降低設(shè)計、安裝、維護的成本[11]。轉(zhuǎn)臺的A軸和C軸采用全封裝式光學(xué)編碼器，測量精度和防護等級較高。轉(zhuǎn)臺A軸和C軸均采用環(huán)抱式剎車結(jié)構(gòu)，剎車扭矩大，剎車效果好。

圖1 雙驅(qū)型搖擺軸式搖籃轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

2.2 搖籃轉(zhuǎn)臺力矩電機的選型計算方法

2.2.1 五軸聯(lián)動加工狀態(tài)下的力矩電機選型計算

五軸聯(lián)動加工狀態(tài)下的電機需要克服的扭矩表達式為

式中：M總為某回轉(zhuǎn)軸以最大角加速度回轉(zhuǎn)運動時所需的總扭矩；Mj為回轉(zhuǎn)軸所需的加速扭矩；Mɑ為轉(zhuǎn)臺容許扭矩；Mr為回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)摩擦扭矩。

轉(zhuǎn)臺某回轉(zhuǎn)軸所需加速扭矩的表達式為）

式中：J為轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量；α為回轉(zhuǎn)軸的最大角加速度。

當(dāng)轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)軸不是規(guī)則形狀時，可以通過UG NX 三維軟件測量轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量J。

回轉(zhuǎn)軸的最大角加速度表達式為

式中：n為回轉(zhuǎn)軸最大轉(zhuǎn)速；t為回轉(zhuǎn)軸的加減速時間；ω為回轉(zhuǎn)軸的最大角速度。

五軸聯(lián)動加工時轉(zhuǎn)臺容許扭矩的表達式為

式中：F為五軸聯(lián)動加工時的切削力；B為五軸聯(lián)動時切削力到回轉(zhuǎn)軸的垂直距離。

回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)摩擦扭矩的表達式為

式中：M軸承是轉(zhuǎn)臺軸承的固有摩擦扭矩。

根據(jù)式（1）～式（5）計算M總，電機總額定扭矩不應(yīng)小于M總，單個力矩電機的額定扭矩不應(yīng)小于M總的1/2。

2.2.2 非五軸聯(lián)動加工狀態(tài)下的力矩電機選型計算

搖籃回轉(zhuǎn)至某個位置并在此位置停止切削加工，此時為非五軸聯(lián)動加工狀態(tài)[12-13]。當(dāng)搖籃轉(zhuǎn)臺A軸通過力矩電機回轉(zhuǎn)至某一位置時，A軸的力矩電機按照堵轉(zhuǎn)扭矩輸出，使A軸保持在此位置。此時A軸的氣動鉗夾抱閘，力矩電機撤銷A軸使能，不再輸出力矩，完全依靠氣動鉗夾鎖緊搖籃，使搖籃A軸保持在某一角度。根據(jù)重力負載變化，可以推斷出當(dāng)A軸旋轉(zhuǎn)90°時其承受的負載最大。搖籃轉(zhuǎn)臺A軸旋轉(zhuǎn)0°和90°時的狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 搖籃轉(zhuǎn)臺A 軸回轉(zhuǎn)0°和90°時的狀態(tài)

非五軸聯(lián)動加工狀態(tài)下的電機需要克服的扭矩表達式為

式中：M非為搖籃轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)至某一角度產(chǎn)生的偏心扭矩；Mβ為非五軸聯(lián)動加工時產(chǎn)生的切削力矩。

搖籃轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)至某一角度產(chǎn)生的偏心扭矩表達式為

式中：G為搖籃轉(zhuǎn)臺的總質(zhì)量；L為A軸的旋轉(zhuǎn)半徑；β為A軸的回轉(zhuǎn)角度。

非五軸聯(lián)動加工時產(chǎn)生的切削力矩表達式為

式中：F'為非五軸聯(lián)動加工時的切削力；B'為非五軸聯(lián)動時切削力到旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離。

根據(jù)式（5）～式（8）計算M總'，電機總的堵轉(zhuǎn)扭矩不應(yīng)小于M總'，單個力矩電機的額定扭矩不應(yīng)小于M總'的1/2。

2.3 搖籃轉(zhuǎn)臺氣動鉗夾的選型計算

根據(jù)2.2 節(jié)的計算結(jié)果，選擇搖籃轉(zhuǎn)臺的力矩電機型號?；剞D(zhuǎn)軸氣動鉗夾的最大保持力矩不僅要克服力矩電機的最大扭矩，而且要克服旋轉(zhuǎn)軸各種工況時所需的最大扭矩。

氣動鉗夾的夾緊扭矩表達式為

式中：M電為所選電機的最大扭矩。

要結(jié)合回轉(zhuǎn)軸的軸徑和回轉(zhuǎn)軸運動部分所需要的夾緊扭矩，確定氣動鉗夾的規(guī)格和型號。

2.4 搖籃轉(zhuǎn)臺軸承計算校核

根據(jù)設(shè)計要求，搖籃轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)臺軸承要具有高回轉(zhuǎn)精度，且能夠承受徑向切削力、雙向軸向載荷和傾覆力矩，同時要根據(jù)安裝尺寸和旋轉(zhuǎn)軸負載確定軸承型號。首先要計算軸承承受的徑向力和軸向力，其次根據(jù)軸承的軸向力和徑向力計算軸承當(dāng)量徑向動載荷和當(dāng)量軸向動載荷，最后校核計算軸承壽命。

2.5 搖籃轉(zhuǎn)臺密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

五軸立式加工中心雙軸轉(zhuǎn)臺位于工作區(qū)正中心，大量冷卻液、加工粉塵及金屬屑極易污染搖籃內(nèi)部構(gòu)件，而且由于雙軸轉(zhuǎn)臺工作時兩個回轉(zhuǎn)軸會頻繁地進行往復(fù)擺動，其內(nèi)部冷卻構(gòu)件所用液體介質(zhì)存在較大泄漏風(fēng)險，因此搖籃轉(zhuǎn)臺密封設(shè)計也很關(guān)鍵，對于相對靜止的結(jié)構(gòu)之間實用O 形密封圈密封，對于相對旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)密封采用旋轉(zhuǎn)密封圈[14-15]。

3 結(jié)語

本文研究了搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)分類，根據(jù)五軸加工中心的市場發(fā)展需要，主要從三維結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動部分選型計算以及主要零件的計算、選型以及校核入手，實現(xiàn)了雙驅(qū)型搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺可行性結(jié)構(gòu)，為搖籃式五軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。